【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料光学性质测量及分析领域，涉及一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法。
技术介绍
1、多层膜有许多重要的应用。比如可以作为减反膜，或者反射分束器。适当条件下多层膜还可以用作滤波器，或者偏振器。多层膜作为光电器件，有时也会碰到极厚的介质层比如薄膜光伏电池中起支撑及透光作用的玻璃或者光吸收层。为了起到支撑作用，这种介质的厚度往往达到10微米。一种常用的模拟介质层的方法就是基于相干光的菲涅尔公式：
2、介质层的反射系数：介质层的透射系数：
3、r1是介质层上界面的反射系数，r2是介质层下界面的反射系数，是介质层的复折射率＝n+ik，d是介质层厚度，λ是波长。
4、但是一般的光学仪器使用的都是氙灯加光栅作为光源，这种光源只有微米级别的相干长度。再加上制备厚介质膜时厚度并不能精确控制，使得介质膜中光的相干性更低。一般5微米以上的厚度就会使得反射光的相干性消失，使得菲涅耳公式不再适用于模拟其光谱。
5、对于没有相干性的介质层，一般使用所谓的退相干参数来模拟。但在很多情况下，多功能的光学薄膜同时包含了相干膜和非相干膜，比如如前所述的光伏电池，既有百纳米的窗口层和导电层，也有几千纳米的吸收层，这就无法引入退相干参数。因此专利技术一种能模拟由相干膜和非相干膜组成的多层膜的方法将为此类多层膜的生产提供有益的理论指导。
技术实现思路
1、为了克服已有技术的不足，针对现有模拟多层薄膜和多层厚膜反射谱和透射谱的计算方法的缺失，本专利技术提供了
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法，对于单层相干薄膜，设薄膜厚度为d，折射率为薄膜上下两边的介质折射率分别为和折射率为介质为介质2，折射率为的介质为介质0，光从介质2进入薄膜时在界面上的反射系数和透射系数使用菲涅尔公式计算为r21和t21，光从薄膜进入介质0时在界面上的反射系数和透射系数分别为r10和t10，分别为：
4、
5、该单层膜的反射和透射系数分别为：
6、
7、如果介质2上面又覆盖了介质3使得2变成了相干膜，即形成了连续的相干膜1和2，则把上述单层膜的反射和透射系数带入连续膜的公式
8、
9、形成迭代计算，其中是介质3的复折射率，d3是厚度。
10、对于处于介质2和0之间的单层非相干膜介质1，借鉴单层相干膜的波矢量无限叠加的原理，将强度量无限叠加获得非相干光的强度叠加公式：
11、
12、其中
13、如果介质2上面又覆盖了介质3使得2变成了非相干膜，即形成了连续的非相干膜1和2，则把上述单层膜的反射和透射强度带入连续膜的公式
14、
15、形成迭代计算。其中
16、进一步，如果相干膜和非相干膜组成混合多层膜，将相干膜的透射和反射系数换算成透射强度和反射强度，等效成界面透射和反射代入非相干膜的迭代公式。
17、优选的，介质1是相干膜，介质2是非相干膜，它们处于介质0和3之间，则对介质1，使用公式(1)计算出系数，使用计算出该相干膜层的反射和透射强度，再代入公式(4)和非相干膜2结合起来计算混合多层膜的反射和透射强度。
18、再进一步，如果多层膜中有连续相干膜，将连续相干膜等效成界面，使用连续相干膜的迭代公式(1)和(2)计算膜层4和5的反射和透射强度，等效成介质3和6的界面反射和透射强度。
19、在对薄膜多层膜进行迭代时，必须使用从下往上迭代的方式，进而推导出迭代公式，否则模拟结果有很大偏差。
20、本专利技术中，可以将相干多层薄膜光波矢量的迭代与非相干多层膜光强度的迭代混合进行，相干和非相干情形无需分开，十分方便地进行该类型多层膜的反射和透射的模拟计算。在模拟的过程中对于某一单层膜是否需看成相干膜还是非相干膜需要根据膜的厚度来判断，一般大于5μm的膜可以看成非相干膜。然后使用相干或非相干的单层反射以及透射公式进行迭代。
21、相干单层薄膜使用的反射及透射系数迭代公式是光学教材中常用的基于菲涅尔公式得到的单层膜多重反射模型下的反射和透射公式。非相干单层薄膜使用的迭代公式不是对反射和透射系数的计算，而是反射强度及透射强度的计算。
22、多个连续的相干单层膜使用公式连续迭代计算出反射和透射系数后可以等效成一个单层非相干膜。被单层或者连续多层非相干膜隔开的多层相干膜可以等效成处于该单层或连续多层非相干膜两侧的两个单层非相干膜。
23、相干和非相干混合的多层膜最终等效成多个连续非相干膜的叠堆，相干膜被等效成界面，以反射强度和透射强度为变量进行迭代。无论对连续相干膜还是连续非相干膜，其迭代是从与相对光入射方向的最底层介质开始。若从入射光方向迭代会出现极大偏差，原因在于从入射光方向迭代是错误地把没有吸收的界面等效成有吸收的单层膜。考虑了光在该非相干膜中两侧界面的多次反射，不考虑光的相位变化，通过极限求和获得符合实际的反射强度和透射强度。
24、本专利技术利用预置的折射率和消光系数，通过相干和非相干混合迭代的方法模拟出多层薄膜的反射谱和透射谱，和测量值进行对比可以反过来对某一预置单层的折射率进行修正；修正对象可以是相干薄膜也可以是非相干厚膜；而且可以通过反射和透射谱计算出吸收谱，结合膜层的厚度数据给出膜的消光系数。本专利技术改善了传统多层膜反射理论无法模拟非相干厚膜光谱的不足，将非相干光这种能表征厚介质层性质的光也考虑进来，为进行非相干厚膜的功能设计提供了有效的工具。
25、本专利技术的有益效果主要表现在：简单实用，可以为实际具有所需光学性能的多层膜的生产提供理论指导。
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1.一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法，其特征在于，对于单层相干薄膜，设薄膜厚度为d，折射率为薄膜上下两边的介质折射率分别为和折射率为介质为介质2，折射率为的介质为介质0，光从介质2进入薄膜时在界面上的反射系数和透射系数使用菲涅尔公式计算为r21和t21，光从薄膜进入介质0时在界面上的反射系数和透射系数分别为r10和t10，分别为：
2.如权利要求1所述的一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法，其特征在于，对于处于介质2和0之间的单层非相干膜介质1，借鉴单层相干膜的波矢量无限叠加的原理，将强度量无限叠加获得非相干光的强度叠加公式：
3.如权利要求2所述的一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法，其特征在于，如果介质2上面又覆盖了介质3使得2变成了非相干膜，即形成了连续的非相干膜1和2，则把上述单层膜的反射和透射强度带入连续膜的公式
4.如权利要求1～3之一所述的一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法，其特征在于，如果相干膜和非相干膜组成混合多层膜，将相干膜的透射和反射系数换算成透射强度和反射强度，等效成界面透射和反射代入非相干膜的迭代
5.如权利要求4所述的一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法，其特征在于，介质1是相干膜，介质2是非相干膜，它们处于介质0和3之间，则对介质1，使用公式(1)计算出系数，使用计算出该相干膜层的反射和透射强度，再代入公式(4)和非相干膜2结合起来计算混合多层膜的反射和透射强度。
6.如权利要求4所述的一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法，其特征在于，如果多层膜中有连续相干膜，将连续相干膜等效成界面，使用连续相干膜的迭代公式(1)和(2)计算膜层4和5的反射和透射强度，等效成介质3和6的界面反射和透射强度。
...【技术特征摘要】
1.一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法，其特征在于，对于单层相干薄膜，设薄膜厚度为d，折射率为薄膜上下两边的介质折射率分别为和折射率为介质为介质2，折射率为的介质为介质0，光从介质2进入薄膜时在界面上的反射系数和透射系数使用菲涅尔公式计算为r21和t21，光从薄膜进入介质0时在界面上的反射系数和透射系数分别为r10和t10，分别为：
2.如权利要求1所述的一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法，其特征在于，对于处于介质2和0之间的单层非相干膜介质1，借鉴单层相干膜的波矢量无限叠加的原理，将强度量无限叠加获得非相干光的强度叠加公式：
3.如权利要求2所述的一种非相干与相干混合多层膜的光学模拟方法，其特征在于，如果介质2上面又覆盖了介质3使得2变成了非相干膜，即形成了连续的非相干膜1和2，则把上述单层膜的反射和透射强度带入连续膜的公...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕斌，郭心如，高凡，邓娟，陈乃波，叶自然，唐超军，鄢波，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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